[論文レビュー] Study of microwave resonances induced by bias lines of shunted Josephson junctions

Uğur Yılmaz, Sasan Razmkhah+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2019

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、1 kA/cm² RSFQニオブiumプロセスを用いて作製された並列接続されたジョセフソン接合素子におけるバイアスラインが引き起こすマイクロ波共振を予測・抑制するTモデルに基づく電気的シミュレーション手法を提示する。抽出されたインダクタンスおよびキャパシタンスをSPICEネットリストに統合し、JSIMを用いてシミュレーションすることで、230 GHzの共振を正確に予測でき、接合に近接して1–10 Ωの直列抵抗を配置することで、不要な共振を効果的にダンピングできることが示された。なお、接合素子の性能は維持される。

ABSTRACT

Bias lines routed over a ground plane naturally form microstrip lines associated with the presence of a capacitance. This can lead to unwanted resonances when coupled to Josephson junctions. This work presents an electrical model of a shunted Josephson junction with its bias lines and pads, fabricated with the 1 kA/cm$^2$ RSFQ niobium process of the FLUXONICS Foundry. A compact LCL T-model is used to simulate the microwave behavior of the bias line, predict resonances and design resonance-free superconducting circuits. The I-V characteristics of three shunted Josephson junctions have been obtained from time-domain simulations done with JSIM and show a good match with the global behavior and experimentally observed resonance at 230 GHz, measured at 4.2 K. The influence of the position and value of a series resistor placed on bias lines is studied to damp unwanted resonances at the junction.

研究の動機と目的

• バイアスラインがグランドプレーン上にマイクロストリップラインを形成することで生じる超伝導回路内の不要なマイクロ波共振を解消すること。
• バイアスラインおよびパッドを含む並列接続ジョセフソン接合素子のコンactで、SPICE互換性のある電気的モデルを構築し、高周波数シミュレーションの精度を高めること。
• 4.2 Kで測定された実験的I-V特性と比較して、モデルの妥当性を検証すること。
• 共振を効果的にダンピングするための抵抗の最適な配置および抵抗値を同定すること。
• 標準的な設計ツールを用いて、レゾネンスフリーな高速RSFQ回路設計を可能にする。

提案手法

• InductExツールを用いて物理レイアウトからインダクタンスおよびキャパシタンスを抽出し、抵抗性レイヤーについては手動抽出を実施。
• 25 µmのレイアウトスライスから得たパラメータを用いて、バイアスラインマイクロストリップ構造を表す等価集約素子Tモデルを構築。
• JSIMシミュレータを用いて、ジョセフソン接合素子のコンパクトな物理モデルを含むSPICEネットリストにモデルを実装。
• 時間領域でのI-V特性シミュレーションを実施し、4.2 Kでの実験測定値と比較。
• シミュレーションにおいて直列ダンピング抵抗の配置および抵抗値を系統的に変化させ、共振の抑制効果を評価。
• モデルを用いて共振周波数を予測し、接合素子パラメータが共振挙動に与える影響を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 並列接続ジョセフソン接合素子におけるバイアスラインが誘発するマイクロ波共振を、コンパクトなTモデルが正確に予測できるか？
• RQ2 直列抵抗の配置および抵抗値が、バイアスラインにおける不要な共振のダンピングにどのように影響するか？
• RQ3 4.2 KでのシミュレートI-V特性は、特に230 GHzの共振周囲で実験データとどの程度一致するか？
• RQ4 共振を効果的に抑制しつつ接合素子の機能を維持するための最適な抵抗値および配置は何か？
• RQ5 このモデルは、標準的なRSFQ設計フローに統合可能であり、レゾネンスに配慮した回路設計を可能にするか？

主な発見

• Tモデルは、Ic = 300 µA、Rshunt = 1.47 Ω、Cshunt = 1.5 pFの接合素子において、実験測定と一致する230 GHzの共振を正確に予測した。
• シミュレーションでは、JSIMの接合素子モデルに準粒子電流およびプロキシミティ効果が反映されていないため、I-V曲線に顕著なヒステリシスが生じており、実際の挙動とは完全に一致しない可能性がある。
• ジョセフソン接合素子にできるだけ近接して1–10 Ωの直列抵抗を配置することで、共振のダンピングが最も効果的である。
• シャント抵抗（1.47 Ω）以上に抵抗値を設定した場合、より高いダンピング効果が得られるが、IcRn積が低下する。
• このモデルにより、RSFQ回路におけるレゾネンスに起因する摂動を一次的に予測可能となり、標準的なシミュレーションツールを用いたレゾネンスフリー設計が可能になる。
• 臨界電流が200 µA、250 µA、300 µAの3つの接合素子でこのアプローチを検証した結果、シミュレーションと測定値の間に良好な一致が得られた。